[發(fā)明專利]一種電動舵機控制系統(tǒng)及控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110556543.1
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113296404A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柏龍;王浩;陳曉紅;孫園喜;湛旭磊;唐云濤
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京化育知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11833
• 代理人: 閆露露

本發(fā)明公開了一種電動舵機控制系統(tǒng)及控制方法，其中控制系統(tǒng)包括：角位移傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊和角度信號處理模塊、多功能智能電調(diào)、電機狀態(tài)監(jiān)測模塊、電壓計、電壓監(jiān)測模塊、輸入顯示單元、中央處理單元等；其中舵機控制方法包括以下步驟：s1.建立直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型；s2.建立驅(qū)動器的數(shù)學(xué)模型；s3.建立減速器的數(shù)學(xué)模型；s4.建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程；s5.進行前饋控制器設(shè)計；s6.進行滑模控制器設(shè)計；采用本發(fā)明的控制系統(tǒng)和控制方法可以大大提高現(xiàn)有舵機伺服系統(tǒng)的抗干擾能力，控制精度和安全性能，具有重要的現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利涉及自動控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種高魯棒性、高可靠性、高精度的電動舵機的控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

電動舵機系統(tǒng)是一個高精度的位置伺服系統(tǒng)，是當(dāng)代船舶、艦艇、潛艇極為重要的組成部分，是控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行機構(gòu)。艦載計算機向舵機控制器發(fā)送舵面偏轉(zhuǎn)的角度指令，驅(qū)動舵面旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)自身姿態(tài)和運動軌跡的調(diào)整。艦艇、潛艇在海面或者海下航行的過程中會受到非線性時變的環(huán)境因素的影響，如波濤、浪涌等。高精度、高魯棒性、高可靠性的舵機伺服控制系統(tǒng)可以使船舶、艦艇等航行得更加穩(wěn)定，反應(yīng)更加靈敏，能大大提高航行效率和質(zhì)量，減少事故的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出了一種高精度、高魯棒性、高可靠性的電動舵機的控制系統(tǒng)及控制方法，可以大大提高現(xiàn)有舵機伺服系統(tǒng)的抗干擾能力，控制精度和安全性能，具有重要的現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種電動舵機控制系統(tǒng)，包括：

角位移傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊和角度信號處理模塊；所述角位移傳感器通過信號轉(zhuǎn)換模塊將獲得的角度信息傳給角度信號處理模塊，所述角度信號處理模塊通過濾波算法將得到的角度信號進行處理最終得到實際末端舵角信號；

多功能智能電調(diào)和電機狀態(tài)監(jiān)測模塊；所述多功能智能電調(diào)將電機溫度、電樞電流、電機轉(zhuǎn)速以及增量式旋轉(zhuǎn)角度信號通過CAN總線傳輸給CAN信號接收發(fā)送模塊Ⅰ，所述CAN信號接收發(fā)送模塊Ⅰ將電機溫度和電樞電流信號傳輸至電機狀態(tài)監(jiān)測模塊；當(dāng)電機出現(xiàn)異常狀態(tài)時，所述電機狀態(tài)監(jiān)測模塊向中央處理單元實時反饋監(jiān)測信號；

電壓計和電壓監(jiān)測模塊；所述電壓計將穩(wěn)壓電源的電壓通過信號轉(zhuǎn)換模塊傳輸給電壓監(jiān)測模塊；當(dāng)電源出現(xiàn)異常狀態(tài)時，所述電壓監(jiān)測模塊實時向中央處理單元反饋監(jiān)測信號；

輸入顯示單元；其包括圖形化顯示模塊、指令發(fā)送模塊和參數(shù)調(diào)整模塊；所述輸入顯示單元通過CAN信號接收發(fā)送模塊Ⅱ獲取舵機角度、電機電流、電壓和錯誤信息，其通過圖形化顯示模塊將數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示并繪制出來；其通過指令發(fā)送模塊將舵機設(shè)定角度實時發(fā)送給控制系統(tǒng)，其通過參數(shù)調(diào)整模塊對控制系統(tǒng)的部分參數(shù)進行調(diào)整；

中央處理單元；其包括誤差處理模塊、控制器計算模塊、驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊、系統(tǒng)零位校準(zhǔn)模塊和故障及應(yīng)急處理模塊；所述中央處理單元通過誤差處理模塊、控制器計算模塊以及驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊獲得電機的控制量，然后通過 CAN總線傳輸給多功能智能電調(diào)，進而控制電機轉(zhuǎn)動；所述系統(tǒng)零位校準(zhǔn)模塊用于在系統(tǒng)零位出現(xiàn)偏差時，重新校準(zhǔn)零點；所述故障及應(yīng)急處理模塊用于實時獲得電流監(jiān)測模塊、電壓監(jiān)測模塊、角度處理模塊的信號反饋，以及上位機輸入的指令信號，當(dāng)出現(xiàn)故障信息或者上位機發(fā)送急停指令時，上報故障信息并控制繼電器斷開電機電源，實現(xiàn)故障應(yīng)急處理。

本發(fā)明還公開了一種電動舵機控制方法，包括以下步驟：

s1.建立直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型，直流無刷電機的動力學(xué)方程為：

式中，U為電樞電壓，R為電阻，L為電感，K_e為反電動勢系數(shù)，ω為電機角速度，J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，T_l為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，K_r為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；